楊贇,陳龍，韓金舫

(1.中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司，江蘇 南京 210031；2.中車大連機(jī)車車輛有限公司 城鐵開發(fā)部，遼寧 大連 116027；3.中國有色(沈陽)泵業(yè)有限公司，遼寧 沈陽 110027)

目前，我國投入運(yùn)營的高速鐵路超過3.5萬公里，居世界首位.隨著國內(nèi)、國際多條高鐵線路的開通以及老舊車型的更新?lián)Q代，市場對中國“復(fù)興號”動車組的需求量大增，同時也大量需要與之匹配的運(yùn)營管理和調(diào)試維護(hù)人員[1].

“復(fù)興號”動車組是一個大而復(fù)雜的高度集成系統(tǒng)，所有電氣線路與控制環(huán)路分散隱藏在各個車輛相應(yīng)位置，現(xiàn)有以真車參觀為主的教學(xué)模式難窺其內(nèi)涵，透明化程度較低、培訓(xùn)周期長、培訓(xùn)效果差,受訓(xùn)人員需要長時間在崗訓(xùn)練才能適應(yīng)，這種人才培養(yǎng)模式難以適應(yīng)中國動車組的快速發(fā)展要求[2].因此，設(shè)計(jì)一種針對中國標(biāo)準(zhǔn)動車組的模擬實(shí)訓(xùn)裝置已迫在眉睫.

受電弓是影響動車組可靠運(yùn)行的關(guān)鍵部件.在運(yùn)行和調(diào)試維護(hù)過程中，需要熟悉受電弓的緊急斷電、接地鑰匙控制、升降弓、緊急降弓等各環(huán)路的電氣原理、器件位置、控制邏輯、常見故障現(xiàn)象和基于現(xiàn)象的故障判斷.本受電弓模擬實(shí)訓(xùn)裝置是以中國標(biāo)準(zhǔn)動車組“復(fù)興號”CR400BF為基礎(chǔ)，采用標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)平臺作為基礎(chǔ)框架，各功能單元由相對獨(dú)立的模塊組合構(gòu)成，可根據(jù)實(shí)訓(xùn)需要或工作任務(wù)的不同進(jìn)行不同的組合.受訓(xùn)人員能直觀、清晰、快速掌握動車組受電弓相關(guān)單元的電氣原理、提高常見故障的診斷能力和排除效率、增強(qiáng)實(shí)操的熟練度，能大大提升培訓(xùn)效果.

1 動車組受電弓結(jié)構(gòu)及工作原理

受電弓主要由底架、阻尼器、升降弓裝置等組成，動車組受電弓結(jié)構(gòu)圖見圖1.當(dāng)弓網(wǎng)接觸時，電流從接觸網(wǎng)經(jīng)碳滑板流到弓頭，沿上臂桿、下臂桿進(jìn)入底架，最后流入動車組的高壓系統(tǒng)，為動車組的運(yùn)行提供先決條件[3-4].

圖1 動車組受電弓結(jié)構(gòu)圖

如果受電弓發(fā)生故障，那么動車組的高壓設(shè)備將無法受流，導(dǎo)致列車無法運(yùn)行，造成線路堵塞并影響對其他列車的調(diào)度.因此受電弓升降控制環(huán)路是動車組最重要的環(huán)路之一[5].

“復(fù)興號”動車組受電弓升降裝置由升弓電磁閥(RPSV)、升弓單向節(jié)流閥、降弓單向節(jié)流閥、ADD快排電磁閥、壓力開關(guān)單向節(jié)流閥，快速降弓電磁閥(LPSV)等構(gòu)成[6]，其控制原理框圖見圖2.

圖2 受電弓升降控制原理框圖

當(dāng)司機(jī)室按下升弓開關(guān)后，升弓電磁閥得電，通過升弓單向節(jié)流閥向氣囊充氣，驅(qū)動受電弓升起，若無意外情況發(fā)生，大約8 s之后，受電弓上升到接觸網(wǎng)高度，ADD快排電磁閥導(dǎo)通向碳滑板充氣，直至碳滑板與接觸網(wǎng)線之間達(dá)到需要的靜態(tài)接觸力，受電弓正常升起，升弓操作結(jié)束.當(dāng)進(jìn)行降弓操作時，升弓電磁閥失電，氣囊中的氣體通過降弓單向節(jié)流閥經(jīng)升弓電磁閥排氣口排出，受電弓在重力作用下緩緩下降.壓力開關(guān)和ADD快排電磁閥內(nèi)的壓力空氣也同時排出，降弓操作完成[7-8].

受電弓可能因以下原因無法正常升起，在“故障導(dǎo)向安全”原則下，必須要有自動降弓以避免弓網(wǎng)接觸的功能.例如在升弓條件下，若在規(guī)定的延時時間內(nèi)碳滑板壓力檢測未達(dá)到正常值，則認(rèn)為碳滑板磨耗泄露，受電弓故障.此時控制ADD快排閥得電，快速排出氣囊內(nèi)的氣體，受電弓迅速降下，ADD快排閥也可和快速降弓電磁閥聯(lián)動，在緊急斷電以及受電弓遭到異物擊打時快速降弓，防止受電弓和接觸網(wǎng)被破壞[9-10].

2 受電弓模擬實(shí)訓(xùn)裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在中國標(biāo)準(zhǔn)動車組中，受電弓位于3車和6車，模擬實(shí)訓(xùn)裝置采用標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)平臺為基礎(chǔ)框架，抽離出中國標(biāo)準(zhǔn)動車組受電弓系統(tǒng)各控制環(huán)路的功能，設(shè)計(jì)了TC01頭車、TP03-TP06車、TC08頭車三個模塊，各模塊通過安全插頭與DC110V電源連接，模仿真車的控制電路電壓.TC01、TP03-TP06、TC08通過重載連接器連接，達(dá)到與真車相同的編組狀態(tài).根據(jù)頭車占用情況，由TC01或TC08發(fā)出指令，模擬頭車對受電弓發(fā)出升降弓信號，經(jīng)邏輯控制電路模塊將運(yùn)算結(jié)果輸出到TP03-TP06車模塊，通過控制外掛的氣源和小型受電弓替代裝置，模擬真實(shí)動車組的升降弓控制功能，其示意圖見圖3、圖4.

圖3 受電弓模擬實(shí)訓(xùn)裝置架構(gòu)

圖4 受電弓模擬實(shí)訓(xùn)裝置實(shí)物

3 受電弓模擬實(shí)訓(xùn)裝置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 控制環(huán)路硬線電路設(shè)計(jì)

受電弓的選擇、切除、升降弓、互鎖功能、緊急驅(qū)動模式等功能由列車控制監(jiān)控系統(tǒng)管理，同時還有接地鑰匙控制環(huán)路、緊急斷電安全環(huán)路、受電弓選擇及升降弓、緊急模式下受電弓控制等列車硬線.以自動降弓裝置(ADD)為例(圖5)，介紹控制環(huán)路的硬線電氣設(shè)計(jì).圖中繼電器的功能含義：=21-K05為升弓繼電器.=21-K10、=21-K81和=21-K83為升弓壓力檢測繼電器，當(dāng)升弓后達(dá)到設(shè)定壓力值時=21-K83得電、=21-K81失電；當(dāng)受電弓壓力出現(xiàn)問題時，=21-K81得電、=21-K83失電，=21-K10延時5 s斷開，=21-K11繼電器得電.=21-K11是ADD降弓繼電器，控制降弓.

圖5 ADD自動降弓硬線電氣原理圖

自動降弓裝置(ADD)的工作邏輯如下：

(1)當(dāng)受電弓未升起，=21-K83(13-14)斷開，=21-K81(21-22)斷開，=21-K10不得電.=21-K83(21-22)接通，=21-K81(13-14)接通，升弓繼電器=21-K05(14-13)斷開，=21-K11不得電；

(2)當(dāng)受電弓升起且壓力正常，=21-K83(13-14)接通，=21-K81(21-22)接通，=21-K10得電，其延時斷開觸點(diǎn)(18-15)接通.=21-K83(21-22)斷開，=21-K81(13-14)斷開，=21-K05(14-13)接通，故=21-K11不得電；

(3)當(dāng)受電弓升起且壓力不正常時=21-K83(13-14)斷開，=21-K81(21-22)斷開，=21-K10失電，其延時斷開觸點(diǎn)(18-15)延時5 s斷開.=21-K83(21-22)接通，=21-K81(13-14)接通，=21-K05(14-13)接通，=21-K11得電，導(dǎo)致緊急斷電環(huán)路斷開，5 s后失電.

受電弓的接地鑰匙控制環(huán)路、緊急斷電環(huán)路、升降弓控制環(huán)路等部分硬線電路設(shè)計(jì),見圖6.

圖6 緊急斷電安全環(huán)路硬線電氣原理圖及故障斷點(diǎn)設(shè)置

3.2 模擬故障斷點(diǎn)設(shè)置

為了快速提高培訓(xùn)質(zhì)量，提升受訓(xùn)人員對“復(fù)興號”動車組受電弓系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能理解能力、對常見故障的排查與定位能力，模擬實(shí)訓(xùn)裝置在TC01、TP03-TP06、TC08的3個模塊的側(cè)板設(shè)有對應(yīng)故障的“硬開關(guān)”，也可通過觸摸屏的“軟開關(guān)”設(shè)置故障點(diǎn)，來模擬真車受電弓系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行中的常見故障.圖6中“×”號代表設(shè)置的故障斷點(diǎn).當(dāng)受電弓升降系統(tǒng)因故障無法正常運(yùn)行，受訓(xùn)人員可根據(jù)電氣原理、電路測量、現(xiàn)象分析、故障排查，直至故障定位，并將故障開關(guān)復(fù)位，排除故障.

本裝置既可以在控制環(huán)路中設(shè)置單個常見故障，也可以同時設(shè)置多個故障，實(shí)現(xiàn)不同類型、不同位置的故障組合與故障復(fù)現(xiàn)，增加訓(xùn)練難度.

3.3 故障檢測與軟開關(guān)控制

為提高培訓(xùn)效率和裝置的智能化，實(shí)現(xiàn)故障排查與定位準(zhǔn)確度的自動判別，檢驗(yàn)受訓(xùn)學(xué)員的學(xué)習(xí)效果，模擬實(shí)訓(xùn)裝置增加故障檢測與“軟開關(guān)”控制，控制器選用大工計(jì)控PLC的PAG310控制器，IO擴(kuò)展選用20路數(shù)字量輸入EIO103和15路數(shù)字量輸出EIO172，通過中間繼電器實(shí)現(xiàn)模擬車載DC 110V電壓與控制器的電氣隔離.其IO分配和接線見圖7.

(a)數(shù)字量輸入接線圖

故障檢測與定位判別流程見圖8.

圖8 故障檢測與定位判別流程

3.4 人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)

本裝置采用昆侖通態(tài)(MCGS)觸摸屏來完成故障采集、實(shí)時顯示、故障定位準(zhǔn)確性判別和事件記錄等功能.MCGS具有全中文和可視化開發(fā)界面、豐富的動畫構(gòu)件、支持串口和以太網(wǎng)通信、具有不同的報警方式等優(yōu)點(diǎn)[11].

在進(jìn)行MCGS人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)時，先創(chuàng)建工程，在設(shè)備窗口添加TCP/IP父設(shè)備，進(jìn)行基本屬性參數(shù)設(shè)置，選擇網(wǎng)絡(luò)類型，添加設(shè)備通道，定義變量和對應(yīng)的MODBUS變量地址，見圖9.

圖9 MCGS設(shè)備通道設(shè)置

圖10 MCGS實(shí)時數(shù)據(jù)庫

構(gòu)建實(shí)時數(shù)據(jù)庫，設(shè)置包括數(shù)據(jù)定義對象、數(shù)據(jù)類型、配置數(shù)據(jù)對象屬性等.人機(jī)界面實(shí)時數(shù)據(jù)庫見圖10.

在用戶窗口中繪制受電弓升降控制環(huán)路電氣原理圖，并在其中添加“×”號，代表設(shè)置的故障斷點(diǎn).“×”設(shè)置為條件非零時可見，當(dāng)實(shí)際電路出現(xiàn)故障時，相應(yīng)位置對應(yīng)的故障變量置1，則對應(yīng)的“×”顯示故障位置(圖6).

復(fù)現(xiàn)故障是不同類型、不同位置的故障組合，故障嵌在多控制環(huán)路中.為判定受訓(xùn)學(xué)員的故障排查操作是否正確，在MCGS用戶窗口面向考官設(shè)計(jì)了故障位置顯示和排查結(jié)果自動判斷功能.當(dāng)控制電路出現(xiàn)故障時，屏幕上自動跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的故障界面，并“×”顯示故障位置.當(dāng)出現(xiàn)多個故障界面時，屏幕自動彈出故障位置顯示切換按鈕，點(diǎn)擊可跳轉(zhuǎn)到任意一個故障界面.若受訓(xùn)人員未能將故障成功排除，又制造出新的故障，則新增 “×”標(biāo)志新增故障點(diǎn).當(dāng)受訓(xùn)人員將故障成功排除后，“×”顯示故障消失，系統(tǒng)自動跳轉(zhuǎn)到下一個有故障斷點(diǎn)的界面，從而能快速判斷受訓(xùn)學(xué)員的故障分析，判別與定位的實(shí)踐能力，達(dá)到檢驗(yàn)受訓(xùn)學(xué)員學(xué)習(xí)效果的目的.

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的中國標(biāo)準(zhǔn)動車組受電弓模擬實(shí)訓(xùn)裝置，能模擬“復(fù)興號”真車功能，使受訓(xùn)人員通過該裝置虛實(shí)結(jié)合、理實(shí)一體化的操作培訓(xùn)，能直觀、清晰、快速掌握動車組受電弓單元的電氣原理、提高常見故障的診斷能力和排除效率、增強(qiáng)實(shí)際操作的熟練度，大大提升培訓(xùn)效果.